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基于LED的光通信系統的設計與實現論文
光通信作為一種綠色環保的新型通信方式，與傳統無線通信方式相比可靠性和保密性更好，傳輸速度也更高，并且受周圍電磁環境的影響也更小，得到了人們的廣泛認可，在生產生活中的諸多領域得到了廣泛的應用。本文設計實現了一種基于LED的光通信系統，利用LED的高速調制特性，實現了較好的通信效果。
1 引言
二十一世紀以來，隨著大數據時代的到來，人們需要傳輸和接收的數據越來越龐大，這就對通信系統的傳輸速度等提出了更高的要求，而光通信作為一種新興的無線通信方式，憑借發射功率高、傳輸速度快、受電磁干擾影響小以及安全可靠等優良特性，得到了社會廣泛的關注。LED作為一種新型點光源，其具有較高的靈敏度和調制性能等優勢，因此本文提出了一種基于LED的光通信系統，并對其原理和設計實現進行了闡述。
2 可見光通信技術的關鍵技術
2.1 光源技術
光源作為可見光通信中信號的發射源，需要具備調制性能好、響應靈敏度高的特點，以滿足高頻調制的要求，另外由于光信號在大氣信道中的傳輸過程會發生衰減，因此光源還需要就業較高的發射功率，以滿足可見接收端對光信號能量的需求。在常用光源中，白光LED憑借自身高靈敏度和高調制特性的優勢，一般多用來作為可見光通信的光源，本文也是基于LED實現的光通信系統。
2.2 編解碼技術
信號的編解碼方式對信號傳輸的質量有著重要的影響，一般來說性能越好的編解碼復雜程度越高，難以在實際中得到廣泛的應用，如何平衡好性能和實現的復雜程度的關系式編解碼方式選擇的關鍵。BCH碼作為一種得到廣泛應用的二進制糾錯碼，具有較好的糾正突發和隨機錯誤的能力，因此其在光通信中有著較廣泛的應用。
3 基于LED的光通信系統的設計與實現
本文設計實現了一種基于LED的光通信系統，其通過發射端電路，將待傳輸信號調制成LED發出的強弱變化的光信號，經大氣信道傳輸至接收端，通過接收端電路的光敏二極管，將強弱變化的光信號重新轉化為電信號，之后再通過放大、濾波等一系列處理，最終將傳輸信號較好地還原出來。
3.1 發射端電路的設計
基于LED光通信系統的發射端的主要任務是完成電信號向光信號的轉化，為了實現這一過程，發射端需要完成信號的放大、信號的調制以及LED的驅動三項任務，相應地發射端電路可以分為前置放大電路、PWM調制電路以及LED驅動電路三大部分，其原理示意圖如圖1所示。
3.1.1 前置放大電路
由于傳輸信號往往強度較低，因此在對信號進行調制之前，通常首先要利用前置放大電路對信號進行放大，并且在信號上增加直流偏置，保證信號強度均大于零，為后期的信號調制做好信號的預處理。
3.1.2 PWM調制電路
傳輸信號在前置放大電路中放大和加偏置后，將信號傳入PWM調制電路，將信號幅值的大小變化調制為PWM波的占空比變化，從而實現了信號的調制。在對信號進行調制時，需要根據信號的頻率特征設置調制頻率，為了保證調制效果一般調制頻率應盡可能高。
3.1.3 LED驅動電路
在完成PWM信號的調制后，將PWM信號通過LED驅動電路，利用PWM波對LED通斷時間的控制，從而使LED的光照強度發生變化，進行實現了由電信號向光信號的轉化。由于LED發出的光在大氣中傳輸時會受到大氣粒子吸收、散射、反射效應等的影響，強度會不斷衰減，因此為了保證接收端獲得足夠能量的光信號，需要保證LED具有足夠的發射功率，因此LED驅動電路還要保證足夠的輸出功率。
3.2 接收端電路的設計
與發射端相對應，基于LED光通信系統的接收端的主要任務是完成光信號向電信號的轉化，即以最小的失真和附加噪聲將接收到光信號中的信息恢復出來，接收端的信號處理性能直接決定了整個通信系統的性能。接收端的原理示意圖如圖2所示，根據完成任務不同，接收端電路可以分為光電轉換電路、AGC電路、濾波電路三大部分。
3.2.1 光電轉換電路
接收端在接收到發射端發出的光信號后，首先要將光信號通過光電轉換電路轉化為電信號。光電轉換電路的核心是光敏二極管，其在無光時只有較小的飽和反向剩余電流，而當受到光照時，飽和反向剩余電流大大增加，并且隨光照強度的增加而增加，利用光敏二極管的這一性質，實現了光照強度變化到電流強度變化的轉換。
3.2.2 AGC電路
光電轉換電路在接收到發射端發出的強弱變化的光信號后，將其轉化為強弱變化的電信號，其波形與原信號相似但信號強度較低，不利于后續的濾波等信號處理工作，因此需要對得到的電信號進行放大。為了保證放大得到的信號強度能保持在某一穩定水平，一般利用自動增益控制(AGC)電路對信號進行放大，即當輸入信號較大時，AGC的增益較小，隨著輸入信號的減小，AGC的增益不斷增大，從而保證放大后得到的信號能夠穩定在某一水平下。
3.2.3 濾波電路
發射端發出的光在信道中不均勻的衰減，以及接收端光電轉換和AGC放大的實現過程中，都有可能在信號中引入噪聲，造成信號質量的下降，因此為了提高通信系統的傳輸性能，還需要對AGC電路得到的放大信號進行濾波處理。一般來說，有用的信息大多是以低頻的形式存在的，而噪聲的頻率一般較高，因此將信號通過一個低通濾波器，即可實現噪聲較低等雜波的濾除，從而提高信號的信噪比和信雜比，提升整個通信系統的傳輸性能。
3.3 調制方式的設計
通常情況下，光通信系統一般采用二進制啟閉鍵控調制(OOK)，其作為一種常見的調制方式，利用0表示不發光，1表示發光，通過通斷控制傳遞信息，這種調制方式直觀簡單，對硬件的要求較低，電路也較為簡單，易于在實際中實現，但這種調制方式在接收端需要對信號的有無進行判決和檢驗，抗干擾能力較差，因此在本文設計的基于LED的光通信系統中沒有采用這種調制方式，二是采用了脈沖位置調制的方式。
脈沖位置調制(PPM)，即根據被調信號的強度改變脈沖位置的調制方式，其是一種直接對光強度進行調制的正交調制方式，與二進制啟閉鍵控調制方式相比，其對光功率和頻帶的利用率更高，能夠大大提高信道的傳輸能力和抗干擾能力，并且其自適應能力強，在接收端不需要利用門限進行信號的檢驗。本文設計系統中采用了2PPM的調制方式，即將二進制信息0轉化為01，將二進制信息1轉化為10，大大提高了信號傳輸過程中的抗干擾能力，提高了通信系統傳輸的穩定性。
4 結束語
本文在對光通信原理研究和掌握的基礎上，提出了一種基于LED的光通信系統，利用LED高調制能力和高靈敏度的特點，實現了高效穩定的信息傳輸，并對系統的設計和實現進行了簡要的闡述。相信隨著相關技術的不斷發展完善，光通信這種具有高效能和高可靠性的新型通信方式將在越來越多的領域中得到越來越廣泛的應用。
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